Plaque auf den Zähnen oder der bräunlich-zähe Schleim in Abflussrohren sind zwei bekannte Beispiele für bakterielle Biofilme. Solche Beläge von den Oberflächen zu entfernen, ist oft sehr schwierig, unter anderem weil sie sehr stark wasserabweisende Eigenschaften haben können. Ein Team von Wissenschaftlern der Technischen Universität München (TUM) konnte nun zeigen, wie solche Biofilme ihre Oberfläche anpassen, um Wasser abzuweisen und dabei Blättern ähneln.

Bakterien umgeben sich mit einer dichten Hülle von selbst hergestellten chemischen Bausteinen (Polymere), um sich vor Umwelteinflüssen zu schützen. Diese Kombination von Bakterien und dem von ihnen produzierten Schleim nennt man Biofilm. Mikroorganismen, die diese Oberflächenbeläge bilden, sind äußerst trickreich, um sich vor fließendem Wasser – und damit vor dem Ablösen – zu schützen. Nicht nur in Abflussrohren, sondern auch an medizinischen Implantaten oder Schläuchen kann das zum großen Problem werden.

Prof. Oliver Lieleg, Professor für Biomechanik, erforscht mit seiner Arbeitsgruppe „Biologische Hydrogele“ an der Munich School of BioEngineering die physikalischen Prinzipien, die bakterielle Biofilme so widerstandsfähig machen. In ihrer aktuellen Studie im Journal NPJ Biofilms and Microbiomes haben sie die Oberfläche von Biofilmen mit konfokalen Reflexions-Lichtmikroskopen genau vermessen.

Nahrungsangebot bestimmt die Oberfläche der Biofilme
„Unsere erste Erkenntnis war: Biofilm ist nicht gleich Biofilm – auch wenn er vom selben Bakterium erzeugt wird“, sagt Oliver Lieleg. Die Forscher stellten fest, dass das Bodenbakterium Bacillus subtilis Biofilme mit ganz unterschiedlichen Eigenschaften herstellen kann: Einmal breiten sich Wassertropfen fast sofort auf der Oberfläche aus, ein anderes Mal rollen die Wassertropfen von der Oberfläche herunter und ein drittes Mal bleiben die Wassertropfen in kugeliger Form auf der Oberfläche haften – selbst wenn diese senkrecht gestellt wird.

Wie die Wissenschaftler zeigen konnten, nutzen die Mikroorganismen dabei Effekte, die aus der Pflanzenwelt bekannt sind: das wasserabweisende Verhalten der Blätter von Lotuspflanzen und Rosen. Lieleg und sein Team konnten nachweisen, dass die Oberflächenstruktur in der Tat stark verwandt zu denen der Pflanzenblätter ist. Genau wie die Blätter weist auch der Biofilm rauhe Strukturen sowohl im Mikrometer- als auch im Nanometerbereich auf, die dazu führen, dass die Benetzung mit Wasser erschwert wird.

Ein wesentlicher Unterschied, der sowohl bei den Pflanzenblättern als auch bei den Biofilmen auftritt: Beim Lotus-Effekt werden kleine Luftbläschen zwischen dem Wassertropfen und der Oberfläche des Blattes eingeschlossen, beim Rosenblatt-Effekt dagegen nicht. Deshalb perlen Wassertropfen von Lotusblättern ab, haften aber an Rosenblättern. Ob sich ein Biofilm eher wie ein Lotus- oder wie ein Rosenblatt verhält, hängt von den Nährstoffen ab, die die Bakterien beim Wachstum vorfinden, da dies die genaue Oberflächenstruktur des Biofilms bestimmt.

Ein neuer Ansatzpunkt zur Bekämpfung von Biofilmen
Bakterien in Biofilmen lassen sich oft nur schwer mit Antibiotika und anderen Chemikalien bekämpfen. Teilweise ist dafür die wachsende Zahl bakterieller Resistenzen verantwortlich. Die Forscher schlagen nun vor, auch die wasserabweisenden Eigenschaften der Biofilme anzugreifen: „Wenn ein antibakterieller Stoff die Oberfläche eines Biofilms gar nicht erreicht, weil er abperlt, dann kann er auch nicht wirken. Wir müssen deshalb diese wasserabweisende Oberflächentextur verändern“, erklärt Oliver Lieleg. „Das wäre ein neuer Ansatzpunkt, um Biofilme von Oberflächen wie Rohren, Kathetern oder infizierten Wunden zu entfernen.“

Das Projekt wurde im Rahmen des SFB863 „Forces in Biomolecular Systems“ durchgeführt.

Originalpublikation
Werb, M., Falcón Garcia, C., Bach, N., Grumbein, S., Sieber, S., Opitz, M. and O. Lieleg, „Surface topology affects wetting behavior of Bacillus subtilis biofilms“, NPJ Biofilms and Microbiomes, DOI: 10.1038/s41522-017-0018-1 (2017)
https://www.nature.com/articles/s41522-017-0018-1

Kontakt
Prof. Dr. Oliver Lieleg
Technische Universität München
Professur für Biomechanik / Fakultät für Maschinenwesen und Munich School of BioEngineering
Tel: +49 89 289 10952
E-Mail: oliver.lieleg@tum.de

Mehr Informationen
Professorenprofil Prof. Dr. Oliver Lieleg: http://www.professoren.tum.de/lieleg-oliver/

Bakterien bauen in Süsswasserseen einen grossen Teil des klimaschädlichen Methans ab, bevor es in die Atmosphäre gelangen kann. Jetzt zeigt eine Studie im Rotsee und im Zugersee, dass dabei nicht die bekannten Methanfresser die Hauptarbeit leisten, sondern eine bisher nur von Trinkwasseruntersuchungen bekannte, fädige Bakterienart.
Sinkt totes organisches Material in einem See oder im Meer auf den Grund, entsteht beim Abbau der Biomasse Methan. Ein Teil davon gelangt über die Wasseroberfläche in die Atmosphäre, wo es als Klimagas wirkt. Ein anderer Teil wird im freien Wasser von Bakterien abgebaut. Nun hat eine internationale Forschergruppe herausgefunden, dass nicht nur die „klassischen Methanfresser“ an diesem Prozess beteiligt sind, sondern auch bisher in der Umwelt kaum untersuchte, fadenförmige Bakterien der Gattung Crenothrix. Soeben haben sie ihre Studie im Journal der Internationalen Gesellschaft für mikrobiologische Ökologie (ISME) publiziert.

Zufällig entdeckt
Auf die Crenothrix-Bakterien sind die Wissenschaftler durch Zufall gestossen: Im Luzerner Rotsee und im Zugersee haben sie mit dem Labeling-Verfahren versucht, den Methanabbau noch besser quantifizieren zu können. Dabei werden Methanmoleküle mit „schweren“ 13C-Atomen markiert. Wird das gekennzeichnete Methan dann von Bakterien aufgenommen, können diese dank eines Massenspektrometers unter dem Mikroskop gezielt sichtbar gemacht werden. „Typischerweise sind das kleine runde Zellen“, sagt Jana Milucka vom beteiligten Max Planck Institut in Bremen. Doch diesmal, so Milucka, waren nicht nur diese Bakterien voll mit dem 13C, sondern auch lange, fadenförmige Vertreter daneben (Bild). „Das war sehr überraschend für uns, denn bis dahin hatten wir nicht einmal gewusst, dass diese fadenförmige Bakterien in der Natur so häufig vorkommen. Erst da begannen wir ihre Bedeutung für die natürliche Elimination von Methan zu untersuchen“, sagt die Forscherin.

Bisher nur als Brunnenfäden bekannt
Geologe Carsten Schubert von der Eawag, gilt als Spezialist für den bakteriellen Methanabbau im Wasser. Auch für ihn kam der Befund aus den beiden Innerschweizer Seen überraschend. Die sehr grossen, fädigen Crenothrix-Bakterien seien zwar schon lange bekannt, doch eigentlich nur aus Trinkwassersystemen. Dort sind sie lästig, weil sie sich so stark vermehren können, dass Rohre, Sandfilter und Siebe verstopfen. Crenothrix-Bakterien wurden darum auch als „Brunnenfäden“ bezeichnet. Im Seewasser wurden sie bisher nicht nachgewiesen, weil nicht spezifisch danach gesucht wurde und weil sie mit molekulargenetischen Methoden schwierig zu entdecken seien. „Wir haben wohl ihre Rolle im biogeochemischen Kreislauf völlig unterschätzt“, räumt Schubert jetzt ein. Denn inzwischen haben die Forschenden nicht nur nachgewiesen dass die Brunnenfäden fester Bestandteil im Plankton von Süsswasserseen sind, sondern dass sie dort sogar die Hauptmethanoxidierer sein können.

Originalartikel
Kirsten Oswald, Jon S Graf et al.: Crenothrix are major methane consumers in stratified lakes; ISME Journal (2017) 00, 1-17. http://dx.doi.org/10.1038/ismej.2017.77

http://www.eawag.ch/de/news-agenda/news-plattform/news/news/neue-methanabbauer-in-seen-entdeckt/?tx_news_pi1%5Bcontroller%5D=News&tx_news_pi1%5Baction%5D=detail&cHash=5ea9a14cc9d345dcb4d7e79ddd9c39b8

Dornen auf dem Körperpanzer – mit seinem Outfit übersteht Echiniscus granulatus sogar Temperaturen von mehr als 100 Grad Celsius
Kein Herz, keine Lunge – und das Blut schwappt frei durch den nicht mal einen Millimeter kleinen Körper. Dieses Sparprogramm hat dem „Bärtierchen“ ausgereicht, um die ganze Welt zu besiedeln.

Aber die Erfolgsgeschichte des Winzlings hört…mehr:
http://www.bild.de/ratgeber/wissenschaft/wissenschaft/dieses-tier-wird-der-letzte-ueberlebende-der-erde-sein-52557896.bild.html
 

Mobiles und flexibles Messsystem soll dauerhaft ein zuverlässiges Gewässer-Monitoring in Katastrophenfällen ermöglichen – und das völlig autark
Starke Regenfälle und Überschwemmungen nehmen im Zuge des Klimawandels immer mehr zu. In Katastrophenfällen wird die vorhandene Messtechnik zur Gewässerüberwachung oft stark beansprucht oder fällt ganz aus. Gerade dann ist jedoch eine kontinuierliche Überwachung von Pegelständen besonders wichtig, um ein angemessenes Risikomanagement betreiben zu können. Vor diesem Hintergrund entwickelt die Professur Mess- und Sensortechnik der Technischen Universität Chemnitz im neuen Verbundprojekt „HydroMon“ gemeinsam mit der SEBA Hydrometrie GmbH & Co. KG und der JuB – Creative Product GmbH ein mobil einsetzbares autonomes Messsystem, welches schnell einsatzbereit und ausfallsicher sein soll.

Ziel der Entwicklung ist eine verlässliche Überwachung von Pegelstand und Wellenausbreitung im Verlauf einer Überschwemmung. Dies ermöglicht Gefahrenabschätzungen und Risikobewertungen, um Gegenmaßnahmen einleiten und koordinieren zu können. Das künftige System selbst soll über eine energiesparende Messtechnik sowie hocheffiziente Elektronik zur Datenverarbeitung und Funkübertragung verfügen. Dabei soll durch eine hybride Energieversorgung auf Basis von Energy Harvesting eine besonders schnelle Einsatzbereitschaft erreicht werden. Hierzu wird ein neuartiger Pendelwandler entwickelt, welcher die Bewegungen des Wassers in elektrisch nutzbare Leistung umwandelt. Zusätzlich soll der Temperaturunterschied zur Umgebung genutzt werden, um die Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit der Sensorik weiter zu steigern. Das System kann somit wartungsfrei auch nach längeren Pausenzeiten eingesetzt und genutzt werden, so die Vorstellung der Forscherinnen und Forscher. Gleichzeitig soll eine modulare Funkübertragung unter Verwendung verschiedener Mobilfunkfrequenzen einen universellen Einsatz in möglichst vielen Ländern der Erde ermöglichen, unabhängig von deren Mobilfunkausbaustufe.

Potentielle Absatzmärkte beschränken sich deshalb nicht nur auf die Bundesrepublik Deutschland, sondern zielen vor allem auch auf das Ausland ab. Speziell in ariden Klimazonen, wo während der Regenzeit typischerweise mit Überschwemmungen zu rechnen ist, stehen oft nicht ausreichend finanzielle Mittel für dauerhafte stationäre Lösungen bereit. Hier sind flexible und vor allem kostengünstige Systeme gefragt, welche situationsbedingt eingesetzt werden können. HydroMon leistet somit einen wertvollen Beitrag zum Katastrophenschutz unter den klimatischen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts und schärft das Profil der Professur Mess- und Sensortechnik der TU Chemnitz im Bereich Umweltmesstechnik.

Das Verbundprojekt „Hydrologisches Messsystem für dauerhaftes und zuverlässiges Gewässer-Monitoring (HydroMon)“ wird im Rahmen der Fördermaßnahme „KMU-innovativ“ im Programm „Forschung für Nachhaltige Entwicklung“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.

Weitere Informationen erteilt Dr. Christian Viehweger,
Telefon 0371 531-39686,
E-Mail christian.viehweger@etit.tu-chemnitz.de

Die Zukunftsfähigkeit der Wasserinfrastruktursysteme in Deutschland steht auf dem Prüfstand: In wachsenden Ballungsräumen stoßen sie bereits an Kapazitätsgrenzen, in schrumpfenden ländlichen Regionen sind sie vielfach nicht ausgelastet. Die vorhandenen Systeme sind nicht flexibel genug, um sich an veränderte Bedingungen anzupassen. Zu ihnen zählen nicht nur demografische Entwicklungen – auch der Klimawandel oder die notwendige Steigerung der Ressourceneffizienz stellen Herausforderungen dar. Im Forschungsprojekt netWORKS 3 wurde untersucht, wie notwendige Transformationen der Wasserinfrastrukturen gestaltet werden können. Die Ergebnisse sind jetzt in einer Publikation erschienen.

Die Siedlungswasserwirtschaft steht vor komplexen Aufgaben. Einerseits muss sie weiterhin eine qualitativ hochwertige Versorgung mit Trinkwasser sicherstellen. Andererseits muss sie sich flexibel an regionale demografische Veränderungen anpassen, eine angemessene Abwasserbehandlung garantieren und den derzeit hohen Energiebedarf senken. Ursachen für den Veränderungsdruck sind nicht zuletzt auch die Folgen des Klimawandels: Starkregen, Überschwemmungen und Trockenperioden erfordern eine Transformation der bereits im 19. Jahrhundert entwickelten Systeme. Mit Blick auf diese komplexen Anforderungen bieten sich heute neue technische Systemlösungen an. Sie zeichnen sich durch eine hohe Flexibilität aus und zielen auf die Schließung von Energie- und Stoffkreisläufen ab.
„Die neuartigen Wasserinfrastrukturen eignen sich für ganz unterschiedliche Einsatzgebiete in städtischen Teilräumen“, sagt netWORKS 3-Projektleiterin Martina Winker vom ISOE – Institut für sozial-ökologische Forschung. „Sie können die vorhandenen Systeme unter anderem deshalb sinnvoll ergänzen, weil sie die Wiederverwendung von Abwasser vorsehen oder Nährstoffe aus dem Wasser verwerten können.“ Das Forschungsprojekt mit Modellquartieren in Frankfurt am Main und Hamburg habe zeigen können, dass geeignete Transformationen für unterschiedliche Bedarfe möglich sind. Voraussetzung: eine gute Kooperation zwischen Unternehmen der Siedlungswasserwirtschaft und der Stadtentwicklung bzw. Regionalplanung. „Entscheidend für die erfolgreiche Umsetzung neuer, noch wenig bekannter Wasserinfrastrukturlösungen ist, dass alle betroffenen Akteure in den Prozess involviert sind, vom Stadtplaner bis zum Installateur“, betont Martina Winker.

Den Wandel gestalten: Spielräume für eine nachhaltige Transformation
Alle Ergebnisse des dreijährigen Forschungsprojekts sind in der Publikation „Wasserinfrastruktur: den Wandel gestalten“ nachzulesen. Die Studie stellt Varianten, Potenziale und Spielräume für eine nachhaltige Transformation vor. „Unsere Studie zeigt, wie die hohe Qualität der kommunalen Daseinsvorsorge im Bereich Wasserinfrastruktur auch künftig gewährleistet werden kann“, sagt Jens Libbe vom Deutschen Institut für Urbanistik (Difu), das die Forschungsarbeiten maßgeblich mitgetragen hat. „Die heutigen Rahmenbedingungen zeigen nicht nur vorhandene Schwächen in den bestehenden Systemen auf, sondern bieten eine strategische Chance, um neu über Wasserinfrastrukturen und über unseren Umgang mit Wasser nachzudenken“, sagt Libbe.

Die Studie verdeutlicht anhand von Beispielen, was für eine erfolgreiche Transformation wichtig ist: Dazu zählen technische Systemalternativen, die Erfahrungen aus Pilot-Kommunen wie Frankfurt am Main und Hamburg, aber auch rechtliche Regelungen und neue Unternehmensstrategien. In der Publikation geht es zudem um Fragen der Systemwahl, des Managements für die Einführung neuartiger Systeme und der Akzeptanz der NutzerInnen. Die AutorInnen benennen darüber hinaus den noch bestehenden Forschungs- und Handlungsbedarf, der unter anderem in der Finanzierbarkeit oder der nötigen Kompetenzvermittlung der wissenschaftlichen und technischen Grundlagen in Aus- und Fortbildung liegt.

Wasserinfrastruktur: Den Wandel gestalten. Technische Varianten, räumliche Potenziale, institutionelle Spielräume. Winker, Martina; Trapp, Jan Hendrik gemeinsam mit Libbe, Jens; Schramm, Engelbert (Hrsg.) Printpublikation in der Reihe Edition Difu – Stadt Forschung Praxis, Band Nr. 16. ISBN: 978-3-88118-584-4; ISSN: 1863-7949
Weitere Informationen: www.difu.de/11299 oder per E-Mail: vertrieb@difu.de
Der Forschungsverbund netWORKS 3 hat zudem Handreichungen für Entscheidungsträger erstellt, die auf der Homepage des Forschungsverbunds zum Download bereitstehen.

www.networks-group.de
netWORKS 3 wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb der Fördermaßnahme „Intelligente und multifunktionelle Infrastruktursysteme für eine zukunftsfähige Wasserversorgung und Abwasserentsorgung (INIS)“ im BMBF-Programm „Forschung für nachhaltige Entwicklungen (FONA)“ gefördert. Forschungs- und Projektpartner waren das ISOE – Institut für sozial-ökologische Forschung, das Deutsche Institut für Urbanistik (Difu), die Tech¬nische Universität Berlin mit dem Fachgebiet Wirtschafts- und Infrastrukturpolitik (WIP) sowie COOPERATIVE – Infrastruktur und Umwelt. Praxispartner waren die ABG FRANKFURT HOLDING und die Hamburger Stadtentwässerung AöR

http://www.isoe.de/wissenskommunikation/aktuelles/news-single/zukunftsfaehige-wasserinfrastrukturen-empfehlungen-zur-transformation/?tx_ttnews%5Byear%5D=2017&tx_ttnews%5Bmonth%5D=06&tx_ttnews%5Bday%5D=13&cHash=7e9b36bbe7affff8123eea98eb654a06

Die Verteilungskonflikte um die Ressource Wasser sind nicht mehr auf die trockenen Regionen der Erde begrenzt, selbst im wasserreichen Deutschland kommt es vereinzelt zu Nutzungskonflikten. Der weltweite Wasserbedarf steigt stetig: Schon jetzt werden allein für landwirtschaftliche Zwecke zwei Drittel der vorhandenen Trinkwassermenge verwendet. Wegen des wachsenden Drucks auf die Wasserressourcen machten die Vereinten Nationen zum Weltwassertag am 22. März auf das Potenzial von Abwasser aufmerksam. WissenschaftlerInnen des ISOE – Institut für sozial-ökologische Forschung untersuchen die vielfältigen Möglichkeiten der Wiederverwendung.

Der nachhaltige Umgang mit Wasser zählt zu den zentralen Herausforderungen der Gegenwart, er ist als Nachhaltigkeitsziel (SDG) in der Agenda 2030 der UN verankert. Doch wie kann dieser nachhaltige Umgang aussehen? „Wir haben in vielen Forschungsprojekten wassersparende Technologien erprobt“, sagt Martin Zimmermann, Wasserforscher am ISOE. „Insbesondere in der Wiederverwendung von gereinigtem Abwasser liegen große Potenziale, sie werden allerdings bislang kaum genutzt.“

Noch immer werde zu wenig unterschieden, für welchen Einsatz sich welche Wasserqualität eigne. „Es bleibt weitgehend unhinterfragt, ob für die Gartenpflege, die Autowaschanlage oder für die Toilettenspülung tatsächlich Trinkwasser notwendig ist“, sagt Zimmermann. Aufbereitet kann dasselbe Wasser zwei- bis dreimal verwendet werden. Es ist nicht nur in Haushalten, sondern auch für den industriellen Bedarf einsetzbar. „Vor dem Hintergrund, dass 70 Prozent des verfügbaren Trinkwassers weltweit in die Landwirtschaft fließen, stellt sich zudem die Frage, wie der Einsatz von gereinigtem Abwasser in der Landwirtschaft sinnvoll geregelt werden kann.“

Den Druck auf die Ressource verringern: gereinigtes Abwasser auch für die Landwirtschaft
Insbesondere in semiariden Gebieten kann die Wiederverwendung von aufbereitetem Abwasser den Druck auf die Ressource Wasser verringern. Wichtig ist jedoch, attraktive Konzepte der Wasserwiederverwendung zu entwickeln, die optimal auf die jeweiligen Rahmenbedingungen vor Ort abgestimmt sind. Dies ist das Ziel eines aktuellen Forschungsprojektes des ISOE und der TU Darmstadt: So gibt es zum Beispiel in Namibia zwar Abwasser-Sammelsysteme, bei denen sich die Feststoffe am Grund der Sammelbecken absetzen. Das Wasser ist jedoch aufgrund hygienischer Bedenken nicht ohne Weiteres für die landwirtschaftliche Bewässerung nutzbar. Gelingt es aber, diese Verfahren durch einfache Behandlungsschritte zu erweitern, etwa durch eine gezielte Trennung von Schlamm und Wasser, erhält man für die Landwirtschaft geeignetes Wasser. „Damit ist eine Blaupause geschaffen, die in vielen Gegenden des südlichen Afrikas angewendet werden kann“, sagt Zimmermann.

Einen weiteren innovativen Ansatz untersucht das ISOE mit Partnern für Deutschland. Dabei geht es darum, wie man durch ein modulares Technikset Abwasser so aufbereitet, dass es als Wasser- und Nährstoffquelle für den Betrieb hydroponischer Systeme nutzbar wird. Hier werden Pflanzen in bodenlosen Systemen in einer Nährlösung gezogen. Hydroponische Systeme erzielen bei geringerem Flächenbedarf eine deutlich höhere Produktionskapazität als der konventionelle Anbau bei gleichzeitig sehr viel geringerem Wasserbedarf.

Dies ist insbesondere im Hinblick auf die rasch wachsende Erdbevölkerung relevant. Für die Ernährungssicherung ist Bewässerungswasser in ausreichender Menge und Qualität zentral. Insbesondere Regionen, die schon heute unter Wassermangel leiden, müssen über alternative Wasserquellen und über nachhaltige Managementkonzepte für die bestehenden Ressourcen nachdenken. „Das Missverhältnis zwischen steigendem Wasserbedarf und begrenzten Wasserressourcen wird sich in den nächsten Jahren vergrößern“, sagt ISOE-Wasserexperte Zimmermann. „Mit diesen Konzepten zur effizienten Wassernutzung können wir aber zumindest den Druck auf die Ressource etwas verringern.“

Mehr zu den Projekten EPoNa und HypoWave auf www.isoe.de

ISOE – Institut für sozial-ökologische Forschung, Frankfurt am Main
Das ISOE gehört zu den führenden unabhängigen Instituten der Nachhaltigkeitsforschung. Seit mehr als 25 Jahren entwickelt das Institut wissenschaftliche Grundlagen und zukunftsfähige Konzepte für Politik, Zivilgesellschaft und Wirtschaft – regional, national und international. Zu den Forschungsthemen gehören Wasser, Energie, Klimaschutz, Mobilität, Urbane Räume, Biodiversität und sozial-ökologische Systeme.

Zur Lokalisierung von PCB- und Dioxinquellen wird die Praxistauglichkeit von Sedimentanalysen und von Messungen mit Passivsammlern in der Wasserphase evaluiert. PDMS-Passivsammler sind für diesen Zweck gut geeignet.

Mehr:
http://www.oekotoxzentrum.ch/news-publikationen/news/neuer-bericht-zur-messung-von-pcb-und-dioxinen-in-fliessgewaessern/

Tübinger Biologen beteiligt: Sensoren weisen Medikamente und deren Wirkung im Wasser schneller und in geringen Mengen nach

In einem interdisziplinären Wissenschaftlerteam haben Naturwissenschaftler neuartige Biosensoren entwickelt, mit denen sich Pharmazeutika im Wasser effektiver als bisher erfassen lassen. Biologen der Universität Tübingen waren an der Studie beteiligt. Zwei pharmazeutische Wirkstoffklassen ‒ Beta-Blocker und Nicht-steroidale Entzündungshemmer (NSAIDs) ‒ können damit in Echtzeit und bereits in geringen Konzentrationen gemessen werden. Die Studie wurde in der Zeitschrift Water Research publiziert.

Mit dem demographischen Wandel steigt der Verbrauch von Medikamenten in den Industrienationen. Bereits heute gelangen große Mengen pharmakologisch wirksamer Substanzen über das Abwasser in Kläranlagen. Weil sie nur unzureichend wieder entfernt werden können, sind Organismen in Oberflächengewässern einem „Cocktail“ aus Arzneimitteln ausgesetzt. Die Anzahl der eingetragenen Medikamente nimmt dabei ständig zu. So können beispielsweise Schmerzmittel auch bei Fischen schädliche Nebenwirkungen verursachen, schon bei Konzentrationen von wenigen Mikrogramm pro Liter Wasser. Ökotoxikologen und Umweltchemiker sind herausgefordert, das immer vielfältigere Vorkommen von Arzneimitteln zu quantifizieren und deren schädigende Wirkung auf die Umwelt abzuschätzen.

Im Verbundprojekt „EffPharm“ arbeiten Biologen, Biochemiker und analytische Chemiker verschiedener Institutionen gemeinsam an diesem Thema. Das Projekt wird vom Umweltbundesamt gefördert und von der Tübinger Ökotoxikologin Professorin Rita Triebskorn koordiniert. So gelang es der Arbeitsgruppe um Dr. Manfred Frey vom Steinbeis-Innovationszentrum Zellkulturtechnik an der Hochschule Mannheim, für die zwei genannten pharmazeutische Wirkstoffklassen zellbasierte Biosensoren zu entwickeln. Diese erlauben es, die Bindung dieser Substanzen an ihre Zielmoleküle (Rezeptoren) in „gereinigtem“ Abwasser in Echtzeit zu bestimmen. An der Universität Tübingen wiesen Professorin Rita Triebskorn und Professor Heinz Köhler von der Arbeitsgruppe „Physiologische Ökologie der Tiere“ nach, wie sensitiv die Biosensoren sind: Sie erfassen schon geringe Konzentrationen der Medikamente, in denen erste Schäden bei Wasserorganismen auftreten. Dr. Marco Scheurer vom Technologiezentrum Wasser in Karlsruhe zeigte, dass die neuen Biosensoren einen großen Teil der Verbindungen erfassen, die bisher durch aufwändige und zeitintensive chemische Analysen nachgewiesen werden mussten. Zusätzlich schließen die Testsysteme die Effekte von Abbauprodukten der Wirkstoffe und unbekannten Verbindungen mit ein, was für die ökologische Bedeutung der Umweltbelastungen entscheidend ist.

Wie die Autoren der Studie darlegen, vereinigen die neuen Biosensoren viele Vorteilen gegenüber bisherigen Ansätzen. Nachdem die Biosensor-Zelllinien Kontakt mit Pharmazeutika in Umweltproben hatten, erscheint innerhalb von Sekunden ein Fluoreszenzsignal. Im Gegensatz zu herkömmlichen Sensoren erfassen sie so die Wirkung von Chemikalien in der Zelle in Echtzeit und vermeiden Falschinformationen, wie sie in Systemen auftreten können, die erst nach Stunden Signale erzeugen. Dadurch besitzen die Testsysteme eine extrem hohe Sensitivität im Nanomolarbereich (ein Millionstel Promille), die vergleichbar mit der chemischen Analytik ist.

Durch ihre Funktionsweise können die Biosensoren zudem die Wirkung künftiger Beta-Blocker oder NSAIDs aufspüren, obwohl deren chemische Struktur noch gar nicht bekannt ist. „Es wäre wünschenswert, dass die hier entwickelte Technik künftig in Monitoring-Programmen zur Bestimmung von Wasserqualität und Reinigungsleistung von Kläranlagen eingesetzt wird“, sagt Professorin Rita Triebskorn. „Damit wäre eine wichtige Lücke in der Plausibilitätskette zwischen dem Auftreten von Arzneimitteln in Gewässern und den bei betroffenen Organismen auftretenden Gesundheitsschäden geschlossen.“

Publikation:
Kevin Bernhard, Cordula Stahl, Regina Martens, Heinz-R. Köhler, Rita Triebskorn, Marco Scheurer, Manfred Frey (2017): Two novel real time cell-based assays quantify beta-blocker and NSAID specific effects in effluents of municipal wastewater treatment plants. Water Research 115, 74-83. http://dx.doi.org/10.1016/j.watres.2017.02.036

Kontakt:
Prof. Dr. Rita Triebskorn
Universität Tübingen
Institut für Evolution und Ökologie
Physiologische Ökologie der Tiere
Telefon +49 7071 29-78892
rita.triebskorn@uni-tuebingen.de
https://idw-online.de/de/news669232